基金委:我國學者在氣候變暖背景下中國近海演變規(guī)律的整合研究方面取得進展

圖1. 中國近海主要變化趨勢:增暖、氮磷比升高、缺氧酸化、生物小型化、暖水物種入侵、甲藻增多、多毛綱增多、魚類豐度下降和珊瑚白化
根據(jù)國家自然科學基金委員會07月21日報道(作者:張亮、冷疏影),在國家自然科學基金項目(批準號:42090040)資助下,中國科學院海洋研究所王凡研究員在中國近海演變規(guī)律的整合研究方面取得進展,以“氣候變暖下的中國近海(The seas around China in a warming climate)”為題,于2023年7月18日在《自然綜述:地球與環(huán)境》(Nature Reviews Earth & Environment)期刊在線發(fā)表綜述性文章,論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s43017-023-00453-6。
中國近海包括渤海、黃海、東海和南海。在氣候變化和人類活動的雙重影響下,中國近海正在發(fā)生著多方面變化。該綜述文章首次在國際上從跨學科角度整合了近年來物理海洋、生物地球化學、海洋生物、海洋生態(tài)等領域取得的最新科學認識,集成了最新的長期觀測數(shù)據(jù),系統(tǒng)闡述了中國近海過去幾十年的演變規(guī)律,剖析了海溫升高、海洋熱浪、環(huán)流變異、富營養(yǎng)化、缺氧酸化、初級生產(chǎn)力變化、物種更迭和群落結(jié)構(gòu)改變等現(xiàn)象(圖1)的時空特征,揭示了物理-化學-生物過程在中國近海長期演變中的協(xié)同作用。
文章指出1950年以來中國近海表面溫度平均每十年上升0.10–0.14攝氏度,至80年代起明顯加速。其中,東海增暖最快,冬季升溫顯著快于夏季。增暖趨勢還引發(fā)了日益頻發(fā)的極端高溫事件,中國近?!昂Q鬅崂恕钡陌l(fā)生頻次、持續(xù)時間和平均強度均在顯著增加,造成了珊瑚白化和漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的重大損失。隨著陸源營養(yǎng)物質(zhì)輸入的增加,中國近??傮w呈現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢。增暖和富營養(yǎng)化共同造成了日益嚴重的缺氧和酸化趨勢,威脅著海洋生物(特別是底棲生物)的生存和繁衍。伴隨著物理和化學背景的改變,中國近海的浮游、底棲、魚類生物群落也發(fā)生了復雜的變化,呈現(xiàn)出“小型化”和暖水物種入侵兩個鮮明特征。
文章通過氣候模式預估,未來上述變化趨勢將可能進一步加劇。為了準確預測氣候變暖背景下中國近海的演變趨勢,更好地發(fā)揮中國近海對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的支撐作用,文章指出應進一步加強中國近海的多學科交叉研究,關注近岸和次表層增暖、陸架環(huán)流和海氣通量變化、多因子聯(lián)合作用機制、生物多樣性預測等研究熱點,并倡導在未來的近海多學科交叉研究中廣泛應用人工智能手段。
原文鏈接:https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab448/info89872.htm
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王凡研究員聯(lián)合我國物理海洋、海洋化學、海洋生物、海洋生態(tài)和氣候領域的十余位科學工作者,以The seas around China in a warming climate為題,在《自然》旗下期刊《自然綜述:地球與環(huán)境》(Nature Reviews Earth & Environment)發(fā)表了中國近海多學科交叉研究綜述文章。Nature Reviews Earth & Environment(簡稱NREE)涵蓋了地球和環(huán)境科學領域具有引領性的高質(zhì)量綜述、觀點和評論文章,最新影響因子為42.1。
中國近海包括渤海、黃海、東海和南海,對周邊十幾個國家的漁業(yè)、航運、能源、旅游業(yè)等起到支撐作用。在人類活動和氣候變化的雙重作用下,中國近海正在發(fā)生著多方面變化。該綜述文章整合了近年來物理海洋、生物地球化學、海洋生物、海洋生態(tài)等領域取得的科學認識,集成了最新的長期觀測數(shù)據(jù),對歷史樣品-再分析資料-氣候模式進行多維度信息挖掘,在國際上首次從跨學科交叉的角度系統(tǒng)闡述了中國近海過去幾十年中的演變規(guī)律,剖析了增暖、海洋熱浪、環(huán)流變異、富營養(yǎng)化、缺氧酸化、初級生產(chǎn)力變化、物種更迭和群落結(jié)構(gòu)改變等現(xiàn)象的特征(圖1)和可信度,深入探討各現(xiàn)象之間聯(lián)系和相互作用,指明了中國近海研究走向多學科交叉融合的發(fā)展趨勢。
通過集合分析多種觀測資料和氣候模式結(jié)果,厘定了中國近海的總體增暖速率(圖2)。1950年以來的平均海表溫度每十年上升0.10–0.14攝氏度,1982年起進一步加速至每十年0.14–0.16攝氏度,均顯著快于全球平均水平。其中,東海升溫最快,1982年以來每十年增暖0.23?±?0.08?攝氏度,超過全球平均值的兩倍。由于冬季季風的減弱和黑潮的熱量輸入,冬季升溫明顯快于夏季。增暖趨勢還引發(fā)了日益頻發(fā)的極端高溫事件—“海洋熱浪”。1982年以來的衛(wèi)星觀測表明,中國近海海洋熱浪的發(fā)生頻次、持續(xù)時間和總體強度都在顯著增加。這些極端事件集中放大了氣候變化對中國近海的影響,造成了珊瑚白化和漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的重大損失。過去幾十年中,源地黑潮有所增強,黑潮向南海的入侵在上層減弱而在深層增強,向東海和黃海的入侵有所增強。在黑潮入侵與季風減弱的共同作用下,南海冬季表層反氣旋環(huán)流減弱。環(huán)流變異通過改變熱量和生源物質(zhì)分布,加強了增暖和初級生產(chǎn)力變化的空間不均勻性。

圖2. 基于多種觀測資料的中國近海表面海溫變化趨勢
隨著陸源營養(yǎng)物質(zhì)通過大氣沉降、河流和地下水輸入,中國近海整體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢,更多的有機質(zhì)沉降到底層。增暖使得海水層化加強,底層海水有機質(zhì)的降解消耗了溶解氧并釋放了二氧化碳,造成了日益嚴重的缺氧和酸化趨勢(圖3)。近岸海水的缺氧酸化事件呈現(xiàn)區(qū)域擴大、嚴重程度加強的顯著趨勢,威脅著海洋生物(特別是底棲生物)的生存和繁衍。另外,由于無機氮含量增速快于無機磷(氮磷比升高),許多海域的浮游植物生長從氮限制轉(zhuǎn)變?yōu)榱紫拗?,促使浮游生物群落的物種組成發(fā)生改變,如甲藻增多和硅藻減少。綜合考慮光合固碳、河流和大洋的輸入、生物和微生物碳泵等作用,中國海總體上是一個碳匯區(qū)。根據(jù)最新估算,中國海通過海氣交換每年可吸收10.8± 23.1 Tg C。盡管氣候模式預測全球變暖將削弱陸架邊緣海碳匯,但現(xiàn)有觀測表明中國海碳匯并未明顯減弱。

圖3. 海水層化加強影響中國近海生物地球化學過程及缺氧事件示意圖
伴隨著物理(增暖、層化加強、環(huán)流變異)和化學(營養(yǎng)鹽濃度和組成)背景的改變,中國近海的浮游、底棲、魚類生物群落也發(fā)生了明顯變化,呈現(xiàn)出“小型化”和暖水物種入侵兩個鮮明特征。浮游植物群落中硅藻的優(yōu)勢度降低,甲藻的優(yōu)勢度升高,水母等膠質(zhì)類浮游動物的數(shù)量增加,浮游動、植物的粒徑呈現(xiàn)小型化趨勢(圖4)。底棲生物多樣性總體下降,很多底棲物種的分布范圍、生態(tài)習性、生理特征等均有顯著改變,增暖、缺氧酸化和富營養(yǎng)化對底棲生物的協(xié)同影響正在日益顯現(xiàn)。魚類物種對氣候變化產(chǎn)生了差異性響應,暖水種魚類在中國近海漁獲物中的占比明顯增加。盡管由于捕撈能力的提高使得過去幾十年中國近海的漁獲量總體上升,但氣候模式預測全球變暖將使我國未來的漁獲量和漁業(yè)收入明顯減少。

圖4. 中國近海浮游生物總體變化趨勢:(a)群落結(jié)構(gòu)變化示意圖和(b-g)基于膠州灣長期觀測數(shù)據(jù)的浮游生物演變
該研究通過整合和梳理多方面觀測事實,集中闡明了物理-化學-生物過程的耦合在中國近海長期演變中的關鍵作用。根據(jù)模式預估,上述變化趨勢將持續(xù)到未來并很可能進一步加劇,這將嚴重影響中國近海對周邊國家經(jīng)濟發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活的支撐作用。為了準確預測和有效緩解這種氣候壓力,中國近海的多學科交叉研究力量亟待加強。文章提出了近岸和次表層增暖、陸架環(huán)流和海氣通量變化、多因子聯(lián)合作用機制、生物多樣性預測系統(tǒng)等未來研究熱點問題,并倡導人工智能手段在多學科交叉研究中的應用,為中國近海研究指明了未來發(fā)展方向。
該綜述文章是國家自然科學基金委重大項目團隊的重要成果,中國科學院海洋研究所王凡研究員和李元龍研究員作為共同通訊作者,合作作者包括中國科學院南海海洋研究所姚玉龍博士、王春在研究員、張榮望博士、王鑫研究員、自然資源部第二海洋研究所王云濤研究員、中國科學院海洋研究所李學剛研究員、唐曉暉博士、孫曉霞研究員、張均龍研究員、楊德周研究員、許靈靜博士、張輝研究員、袁華茂研究員,郭亞茹博士、任秋萍博士、張斌博士和沙忠利研究員。該研究獲得了國家自然科學基金(42090040)、中國科學院戰(zhàn)略先導專項(XDB42000000)、科技部重點研發(fā)專項(2017YFA0603200)等項目的的聯(lián)合資助。
論文來源
Wang, F., Li, X., Tang, X. et al. The seas around China in a warming climate. Nat Rev Earth Environ (2023). https://doi.org/10.1038/s43017-023-00453-6
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